虚拟仿真软件应用对高中生模型认知影响的实证研究

娄珀瑜 王祖浩

摘要： 针对线上教学中真实实验无法开展的困境，以虚拟仿真软件为教学资源，对来自陕西省X市某校195名高二年级学生开展实证研究，讨论虚拟仿真软件应用对高中生模型认知的影响。结果发现相比于播放实验视频，“虚拟仿真软件+PPT”教学方式对学生化学模型认知更具显著影响;该教学方式更适合于中低先前知识组学生学习，教师在进行教学设计时应充分分析学情，进一步考虑学生已有知識;在教学资源设计研发中应对学生认知过程进行深入讨论。

关键词： 虚拟仿真软件; 模型认知; 教学方式; 先前知识

文章编号： 10056629（2021）07000806

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

中学化学教学中学生对化学模型的理解存在较大困难，很大程度上是由于知识抽象性及学生自身学习能力不足产生的。真实实验的开展对学生理解化学模型有重要作用，但线上教学使真实实验实施受到极大限制。在无法开展真实实验的情况下如何通过线上教学帮助学生对抽象、复杂的化学模型进行建构成为具有挑战性的任务，大多数教师选择实验视频和虚拟实验来代替真实实验对学生化学模型认知进行培养。鉴于化学知识的复杂性，学生已有知识基础是影响学习成绩的主要因素之一，研究线上教学中不同教学方式和学生先前知识的交互作用对高中生化学模型认知培养效果的影响是非常必要的。

1 问题提出

虚拟仿真软件作为模拟和再现真实实验场景和实验过程的一种方式[1]，在化学教学中除了再现实验之外，还可以模拟实验现象对应的微观世界，帮助学生建立宏观与微观的联系[2]。已有学者对此开展了较多实践，Shwartz Gabby团队发现不同教学情境中教师对学生的关注均处于“多焦点”状态，且随教学时间的增加而增加[3]，但并未对学生学习情况进行讨论;还有研究发现技术增进的学习环境有助于学生提高概念理解[4];顾莹等人在“扩散”主题中对可视化模拟实验进行了分析，认为含有建模工具的学习环境能够为不同水平学生的模型建构提供支持[5];冉鸣团队开发了氯气的制备和性质等虚拟仿真软件，发现通过虚拟实验以及微观世界模拟帮助学生完成化学概念及相关原理学习更为有效[6]。

从化学模型视角理解“模型认知”，就是“基于科学模型来认知原型”，即运用化学模型作化学表征，进行解释、论证、预测和验证等[7]。学生模型认知能力的缺失使其在概念学习中存在较大的挑战，设计有效帮助学生概念学习的策略性方法是学生模型认知能力提升的关键。Ira Caspari等学者发现通过实验验证假设真伪进行模型构建能够实现学生复杂概念学习[8];陈博殷等发现手持技术有助于学生深入理解化学能与电能之间的相互转化[9]。将抽象化学模型可视化呈现、为学生搭建脚手架的虚拟仿真软件为模型认知培养提供了良好的契机。

已有文献中尚未见到教学实践中虚拟仿真软件应用对学生化学模型认知影响研究的报道。本研究从“虚拟仿真软件+PPT”教学方式与“实验视频+PPT”教学方式入手，采用准实验研究“虚拟仿真软件在线上教学中是否是促进学生实现化学模型认知的有效途径”，并对两种不同教学实践中学生先前知识对模型认知的影响进行考察。

2 研究设计

2.1 研究对象

教学实践对象是陕西省X市某公立省级标准化高中高二年级同一化学教师线上授课的四个平行班195名学生，其中男生96人，女生99人。学生已完成高中化学人教版必修1、必修2、选修3《物质结构与性质》学习，具备足够先前知识和对基本化学模型的理解。此外，他们在之前的化学学习过程中没有使用虚拟仿真软件的经历。

将线上教学第一周对学生进行化学模型认知测评的结果按从高到低排序后确定前后约27%学生为高、低先前知识组，中间约46%学生为中先前知识组，每个班均有这三类学生。在四个班中随机选择两个班为实验组，另两个班为对照组，其中实验组98人，对照组97人。对两组前测数据进行独立样本t检验，结果（p=0.610>0.05）显示实验组和对照组之间不存在显著性差异，说明前测阶段两个组学生模型认知水平相当。

根据学术伦理要求，所有被试学生及家长在线上教学开展前均知晓本研究目的、内容和程序，也了解前后测结果与学生学业成绩无关。前后测均在匿名情况下完成，要求被试学生将随机抽取的编号填写在测试卷指定位置，以保证前后测试卷对应。允许被试学生有自主参与的选择权，要求被试学生在规定时间内单独作答。

2.2 研究思路

研究在2020年2月至4月选修4《化学反应原理》[10]（第二至四章）新授课教学过程中开展实践，第一章教学内容在寒假前已经结束，具体实施过程如图1所示。

教学设计、测评试卷研制等准备工作开学前完成，线上教学开始第一周和疫情平稳返校后第一周，分别完成用时45分钟的化学模型认知测试，以评估学生线上教学开展前后模型认知水平。前测为周末线上公布试题，45分钟后学生将答案拍照提交，请家长协助监督，保证答题有效性;后测为返校后有教师监督的纸笔测试。在教学实践的10周中，每章结束后均根据实际情况对已有教学设计进行精致化。

2.3 化学模型认知水平划分

结合高中学生学习现状，以教学中学生模型认知的学习进程为标准将模型认知作为单一维度划分为四个水平。这四个水平对学生模型认知能力要求逐步提高，与布卢姆认知学习领域目标分类[11]具有一致性。

水平1 模型形成： 由熟悉的相似现象出发，借助于已有的化学概念或原理，建立说明这类现象关系或结构的模型;

水平2 模型发展： 借助已有证据对形成的模型进行分析、演算、推理，针对所得结果对模型进行补充和完善;

水平3 模型迁移： 利用优化完善过的模型解决相似情境或新情境的实际问题;

水平4 模型重构： 针对问题解决的实际情况，重新对模型的结构进行修正和重构。

2.4 教学方案设计

“虚拟仿真软件+PPT”教学方式可以通过人机交互将宏观实验现象及其化学变化本质进行动态微观模拟，帮助学生建立宏观与微观的联系，结合PPT呈现的知识总结提升，促使学生实现由被动接受到主动建构的转变;“实验视频+PPT”教学方式是通过实验视频呈现宏观实验操作及现象，借助PPT呈现微观示意图、原理等教学内容。也就是说宏观实验信息及微观现象内容载体不同且呈现顺序不同，其余教学环节及教学要求相同。实施流程如图2所示。

由图2可以看到，教学活动以科学探究解决实际问题为主线开展，在创设真实情境基础上展开四次探究活动，最后进行反思与评价。研究选用四川师范大学冉鸣教授团队开发的虚拟仿真软件，以学生化学模型建构学习进程为切入点开展。表1以“原电池”为例，对教学设计重要内容进行呈现。

2.5 工具研制

化学模型认知前后测卷研制过程中，参考王磊等学者[12]编制部分样题，试测并优化后，最终形成各包括20题项的前后测正式测试卷，即水平1： 模型形成（Q1～Q6共6个题项）;水平2： 模型发展（Q7～Q11共5个题项）;水平3： 模型迁移（Q12～Q17共6个题项）;水平4： 模型重构（Q18～Q20共3个题项）。对单项选择题采用二元计分，对开放式论述题采用等级评分。水平1计1分，水平2计2分，水平3计3分，水平4计4分。前测卷克隆巴赫系数α=0.802，后测卷克隆巴赫系数α=0.810。

3 结果分析

对后测卷赋分汇总后，选用WINSTEPS 3.74.0和SPSS 21.0进行数据分析，探查学生模型认知发展情况。

3.1 总体特征及被试模型认知表现划分

将原始分换算为单位为logit的对数尺度Rasch分并进行数据处理后，发现实验组和对照组在前后测中Rasch分全距均在6.5logit以上，表明被试模型认知能力分布较广。前测被试整体均值为0.63logit，后测被试整体均值为2.01logit，与前测相比后測学生表现出更高的模型认知水平。

依据后测数据呈现的被试能力分布，使用0.8logit、 1.48logit、 1.92logit和2.24logit进行水平划分，可以看出被试整体样本能力估计均值为2.01logit，超过了水平3的阈值，说明线上教学活动结束后被试样本模型认知平均水平达到了模型迁移水平，但是离模型重构水平尚有距离，也反映出化学模型教学确实是高中化学教学的难点之一。

3.2 高中生模型认知表现层级分布

后测中被试能力估计均值实验组为2.12logit，对照组为1.94logit，将两组数据进行独立样本t检验，t=-3.942， p=0.009<0.05，说明线上教学结束后两组学生模型认知水平有显著差异。

从表2数据可以看出，实验组中处于水平3、 4人数较多，即有超过80%的学生在线上学习结束后模型认知测评中表现出中等偏上水平，达到了预期教学效果;有1%的学生位于水平1及以下，处于低水平层级。对照组同样在水平3人数最多（42.2%），其次是水平4（28.9%）;但在具体人数上小于实验组人数，处于水平1和水平2人数较实验组多。也就是说，线上教学结束时实验组处于水平1和水平2学生数少于对照组，而在水平3实验组学生比例大幅度增加，到了水平4虽然有所下降，但仍略高于对照组。

实验组前测整体均分（0.62logit）略低于对照组（0.64logit），后测结果高于对照组，说明在真实实验无法正常开展的情况下，虚拟仿真软件对学生模型认知培养的教学效果优于实验视频教学，且对处于模型发展和模型迁移层级的学生影响最大。

3.3 教学方式对不同先前知识组高中生模型认知水平的影响

表2同时呈现了不同先前知识组被试样本测评结果（Rasch分）分类统计情况及分别对三个不同先前知识组数据进行独立样本t检验的结果。可以看出不同先前知识组学生中，实验组后测均值高于对照组，高水平先前知识组学生学习效果最好，中水平先前知识组学生次之，低水平先前知识组学生较弱。对高先前知识组学生而言，实验组和对照组模型认知水平均值均达到水平4，实现预期教学效果，但无显著性差异，可见教学方式不同对高先前知识组学生模型认知情况影响不大，仅有1人处于水平2，经访谈发现是对线上教学不适应，学生学习方式转变较慢导致。对中先前知识组学生而言，实验组和对照组模型认知水平均值均达到水平3，具有显著性差异。实验组水平3人数多于对照组，水平2人数少于对照组，且处于实验组水平3人数远多于水平2人数，而对照组水平3和水平2人数差异不大。对低先前知识组学生而言两组学生均值达到水平2，同样具有显著性差异，其余变化情况与中先前知识组相似。可以看出教学方式对中低先前知识组影响较大，实验组中低先前知识组学生模型迁移和模型重构水平教学效果显著，可以认为“虚拟仿真软件+PPT”教学方式更适合中低先前知识组学生学习。

3.4 讨论

实证研究数据表明线上化学教学中“虚拟仿真软件+PPT”教学方式对高中生化学模型认知四个水平层级产生较好学习效果，虚拟仿真实验在人机交互及微观现象模拟上优势较为明显，这种创设模拟教学情境、促进学生互动的教学方式和行为对学生模型认知发展有显著作用，可以成为培养学生模型认知能力的一种有效教学策略。

就线上教学结束后学生模型认知水平整体而言，实验组和对照组在模型发展和模型迁移阶段存在明显的人数对比。其原因是虚拟仿真实验在学生模型认知活动过程中，能够同步呈现实验现象与对应微观现象，由于学习过程中进行建构的同时会伴随解构阶段[13]，这种动态的学习情境能够帮助学生从宏观角度出发结合微观现象重新搭建知识网络形成新的模型。与此同时，实验组课堂互动次数明显多于对照组，交流讨论产生方案质量也高于对照组。对照组动态实验视频与静态PPT授课存在视觉上的先后顺序，特别是在模型迁移阶段部分章节由于实验视频不够齐全，对照组仅使用PPT授课，使得学习环境创设差异较大，对学习效果影响较大。

对中先前知识组学生而言，实验组达到了水平3，说明虚拟仿真实验为他们提供了较好的学习支持，这种视觉影响可以提高学生注意力和专注时间，实现信息从短时记忆向长时记忆的转化，帮助学生加深对模型的理解，并能够引导学生从不同角度理解教学内容实现模型重构。这是对“虚拟化学实验在具有明确界定的领域具有重要意义”[14]观点的回应，也说明虚拟化学实验在这类学生模型认知有效学习过程中具有重要作用。

对低先前知识组学生而言，虽然实验组与对照组学生均处于水平2，但是实验组测评均值高于对照组。由访谈可知虚拟仿真实验在教学中的引入对此类学生学习态度影响较大，大部分学生学习中积极性明显提高，愿意主动参与。

综上可知，虚拟化学实验在辅助学生进行化学模型认知过程中具有较好的教学效果，且对中低先前知识组学生模型认知高阶层级（特别是模型迁移层级）教学效果较为显著。与此同时，学生先前知识对模型认知有显著影响，对先前知识处于中等水平组学生变化最为明显，低先前知识水平组学生次之，高先前知识水平组学生影响最小。因此，在设计基于虚拟仿真软件的教学活动时，需要优先考虑学生已有知识水平，做好学情分析。

4 结论

虚拟仿真软件作为有意义学习的教学资源，主要用于从多感官角度出发增强学习情境。通过实证研究发现这种情境增强的学习环境有助于学生模型认知的有效发展，在化学反应原理线上教学中确保了学习效果。研究结果表明：

（1） 学生模型认知的培养与教学方式存在显著作用。新兴技术在教学中的使用对属于数字原住民的学生而言更具有吸引力，虚拟仿真软件应用本质上是学生学习情境的增强。在实施“虚拟仿真软件+PPT”教学方式时需根据现有条件，尽可能创设能够帮助学生理解复杂概念、构建复杂模型的学习情境。

（2） 具有不同先前知识水平的学生的模型认知提升程度不同，教师在进行教学设计时对目标学生先前知识的分析至关重要。创设不同教学活动时需尽可能满足不同类型学生，例如具有高先前知識水平的学生能够凭借基础扎实的优势，更有能力理解知识并将其应用于各项学习任务，同时进一步将应用范围扩展到章节学习领域，因此在教学活动设计上不能仅限于基础层面，需要适当涉及具有提高性质的学习任务。但低先前知识组学生需充分调动他们的学习积极性，针对其对抽象或复杂结构较难理解的现状，在教学活动创设中搭建恰当的脚手架。这就要求教师在进行教学设计时对学生进行分类分析，设计适合于不同水平的教学活动。

（3） 虚拟仿真软件设计对教学有效性至关重要，教学资源开发时应对学生认知过程进行分析，在学生认知和情感标准基础上进行研发，以激发学生更多感官，帮助他们将注意力集中在学习活动上。

由于本研究设计的局限性，仅考察了两种不同类型教学方式和三种不同先前知识水平对模型认知的影响。基于虚拟仿真软件的教学是否能够全面培养学生化学学科核心素养，教师和学生是否对虚拟仿真软件真心认可等问题本研究无法得出结论，未来的研究可对相关问题进行进一步探索。

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